热力耦合效应下高速轧制过程的非线性动力学研究

轧机系统具有多变量耦合和强非线性的特征，还受到外界随机干扰的影响，国内外对轧制动力学进行了多方面的研究，但对轧制过程的非线性本质机理远未认识清楚。本项目基于Hertz弹性接触和热弹流润滑理论，综合考虑热弹变形、界面摩擦和间隙的耦合作用，建立轧制过程非线性动力学模型；运用分岔与激变理论对系统参数和外界干扰诱发的极限环和混沌等复杂非线性振动形式进行讨论，揭示其振动机理和失稳机制，并将胞映射与Monte Carlo统计方法相结合对系统在状态空间的随机动力响应进行研究；利用动力学仿真软件对系统的热力耦合动力学行为进行分析，并对轧制过程的非线性动态特性和随机动力响应进行试验研究，利用相空间重构和回归方法对测试信号进行处理；最后通过对理论分析、仿真模拟和试验结果的对比验证，为轧机结构的优化设计、工艺规程的制定、轧制失稳的预测与控制提供理论依据，并推动非线性理论在复杂机械装备及控制领域的应用实现新突破。

针对板带轧机振动的共性关键问题，从热力耦合轧制界面特性、系统的非线性动力学建模方法、系统的分岔与稳定性以及动态响应等方面开展了研究，揭示了系统时变参数和外界干扰诱发的极限环和混沌等复杂非线性振动形式，并基于动态分岔实现了对自激振动的反馈控制。主要的研究内容包括：.（1）根据轧制润滑的实际情况，对轧制界面混合润滑状态的界面特性进行分析，分别采用流量分析法和弹流分析法，对轧制界面混合润滑问题中的动力学机理进行了对比分析和相应的数值计算；建立了考虑O/W型乳化液中分散相凝聚效应的混合润滑模型，并以此模型定量地分析了O/W型乳化液中分散相的凝聚效应与轧制压力之间的关系；建立了混合润滑状态下界面热效应以及传热机制的理论模型。在研究界面热效应问题时，同时考虑到轧制塑性变形热和轧制摩擦热的影响。.（2）基于辊系-机架垂直系统和主传动扭转系统，考虑阻尼和刚度等非线性结构参数的影响，建立系统的非线性动力学模型，采用多尺度法、Lyapunov稳定性理论以及Hopf分岔计算等分析方法对系统的动力学特性和失稳分岔机制进行了研究，并通过非线性数值方法对系统的响应进行了仿真和验证。 .（3）考虑轧机主传动系统的非线性结构阻尼、轧制界面摩擦的负阻尼效应以及轧制界面摩擦的粘滑特性，建立了两种不同机理的扭转与水平耦合振动模型；基于Hopf分岔理论研究轧机耦合非线性自治系统的分岔行为，采用数值仿真研究轧机的全局分岔情况，获得了系统的安全域。.（4）基于轧机主传动系统，通过电动机的电磁转矩和速度反馈，将延迟环节引入被控系统，建立主传动系统和电气控制系统相耦合的动力学仿真模型；并将负载扰动作为一个状态量写入状态空间方程，通过状态空间转化与合并，建立基于状态空间的轧机主传动系统仿真模型。根据状态空间模型，通过设计基于次优卡尔曼滤波器的全维状态观测器和最优反馈增益，提出了基于LQG的扭振控制策略，保证了系统的鲁棒性。为提高系统稳定性，优化观测器的结构降维，避免中间参考输入可能出现的系统噪声,应用了基于LQG/LTR的扭振控制策略。